Linux 下的 mmap()

gogojesse

以下希望藉由一個實際可以在user mode運作的API, mmap()
讓programmer能夠感受到MMU這個硬體在系統中所扮演的角色
/ q# ?5 J* L/ a2 H) H* x
+ ?7 |0 j( k. C寫linux底下driver的人常常會看到這個東西 mmap()
, G$ J  u$ e/ H3 f+ E3 @* ?* z3 ^在user mode program裡面假如你用open( "/dev/xxx", ... )
  f" g, e- Q8 N% y5 ?去打開一個檔案系統的節點
就可以用這個file descriptor的handler對他做mmap()的動作
! N& V, v/ ?* B( N& {  v6 R9 R+ }那這個mmap究竟背後藏了哪些意義?
又有哪些硬體在工作才能達成?
% z% A, W" c1 B0 v' Y4 u# _
3 \: c. {! B7 L% l) e9 h# wmmap的字面意義是memory map
顧名思義就是『記憶體映對』
% c  @) A1 A& m7 r簡單來看，就是用mmap()幫你做對映
對映好了，對著傳回的address作存取
! L# a$ r4 n4 O, ^5 ^; j就等於對檔案作存取

1. 首先來看mmap()一般是怎麼被使用的 (這邊可以先不用管要傳什麼參數)
int fd, mapSize, offset, start;
char* ptr;

mapSize = 0x1000; /* 希望映對多大的區塊 */
offset = 0;
start = 0;
/* 打開檔案 */
3 j& A2 E& M- zfd = open( "/home/tester/a.txt", O_RDWR | O_SYNC );  
/* 作mmap動作，取得一個對應好的address */
ptr = mmap( 0, map_size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, offset );

1 M* P# N2 v) ?; R: S, q/ E& X, D假如一切順利的話 ptr 就會接到一個address，這個address會對應到a.txt這個檔案所在的起始位置，
  M2 I. j- R  q5 S% g" j5 @0 c6 u如果這時候我們用 strcpy( ptr, "hello!!" );

a.txt裡面就會被寫入"hello!!"的字串

6 C6 g  o% s4 y2. 假如我寫了兩個程式，都是用mmap()到同一個a.txt，程式會不會出問題? 如果不會，那我既然對同一個檔案作mmap(),那我拿到的ptr不是應該是相同的address?

  k9 u7 ?% t/ R" w& i8 I" k答案是：兩個程式可以正常執行，但是這兩個回傳的address不一定相同。
. ^1 J, P$ S9 h% D/ Fwhy?  為什麼對同一個檔案寫入，也都做同樣的mmap()動作，甚至傳的參數值都相同。
為什麼拿到的address可以是不同的? 更奇怪的是，位址不同，還是同樣寫到同一個檔案上頭。

5 V2 b2 {2 t/ u+ R假如這一切都是合理的，那表示雖然這兩個位址不一定相同，其實都是對映同一個地方，表示有某種東西記錄著這個對應關係。而且，兩個program的ptr有時候會一樣，可是有時候又不一樣。唯一個可能是表示兩個process各自保有這些映對的方式。

2 ~$ \# y8 j  u1 w2 O3. 假設我只寫一個程式，但是mmap()兩次到同一個檔案上呢? 得到的兩個ptr會一樣嗎?

答案是：這個兩ptr還是不一樣的，兩個不同program 跑出來的mmap()結果不同也就算了，同一個program呼叫兩次mmap()跑出來的ptr也不一樣，但又都對映著相同的檔案a.txt。因此我們又可以猜測這一個mmap()是動態的，動態去產生一種應對的方式，將傳回的ptr對應到真正的檔案a.txt去，所以同一個process可以對應好幾次，好幾次都用不同的address去對映到相同的檔案上去。
+ A+ e5 f7 X! T! G* @$ l
2 J( r& c6 ?- `綜合上面三種現象，我們合理的懷疑系統裡面存在了一個東西，它讓每一個process可以動態地記錄address的對應關係。並且，每個process各自擁有這個table，而這些對映的關係會動態的反應在這個table當中。

回想一下一個系統有誰會做這種工作，不就是MMU所擔任的重要角色嗎?
0 G; e7 J3 O0 a: U0 ]每個process各自擁有自己的 page table 當他呼叫mmap()的時候，系統就動態地幫她在這個table上寫上紀錄著

[processA-pgtable]
0x00008000 ptr1 --> a.txt
0xa0008000 ptr2 --> a.txt

4 G/ s; `/ [7 i[processB-pgtable]
3 X  x$ x: k+ Y7 Z8 ]' K1 m& R0x00008000 ptr1 --> a.txt
0xb0008000 ptr2 --> a.txt
/ p" Z0 w$ e" l6 {/ M( d' c
- U/ q9 P8 s4 a( t這樣ptr1, ptr2都可以對應到相同的地方，又因為各個process又有不同table，所以有時候ptr1有可能會相同。
如此一來，我們終於可以合理的解釋我們觀察mmap()為何對映出來的address會有如此的表現。原來就是MMU被加入，而且OS又被設計成每個process都會各自擁有一個page table來記錄他對記憶體如何解讀。

gogojesse

略寫下兩個延伸的想像問題
或許有人有興趣可以回答或是深入研究

[延伸想像]
我們又可以仔細想想假如每個process都有各自的table
& q, g4 I( W% V% s* I那麼從一個process做context switch到另外一個process的時候
代表所用的table是不同的
! p3 `4 ?; h$ K! e  iwow!!!可想而知系統是很忙碌的，1秒鐘context switch 10次就要替mmu切換10次page table的mmap方式
9 g* b+ ]! M; G3 U. L) @" R% x0 c不然process用錯page table可能就會指到錯誤的位址
那OS到底怎麼切換這些page table?
kernel和user program的page table有什麼不同??
6 D: D1 P* ?& j! q+ n3 W
[延伸想像]
' t2 P0 Q1 T, J, l0 v: P2 g假如我們可以修改page table的權利，是不是就可以寫出一個可以偷取別的process data的東西?因為我可以偷偷的map過去他的address space讀取它的資料??    有辦法嗎? 還是根本沒機會?